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基于ROS的機器人理論與應用(第2版)
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基于ROS的機器人理論與應用(第2版) 版權信息
- ISBN：9787030726209
- 條形碼：9787030726209 ; 978-7-03-072620-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
基于ROS的機器人理論與應用(第2版) 本書特色
本書可作為機器人研究者和愛好者應用ROS 構建機器人軟件系統的參考手冊。
基于ROS的機器人理論與應用(第2版) 內容簡介
ROS是建立在開源操作系統Ubuntu系統之上的開源的機器人操作系統，其主要目標是為機器人研究和開發提供代碼復用的支持。它提供了操作系統應有的服務，包括硬件抽象、底層設備控制、共用功能的執行、進程間消息傳遞，以及包管理。ROS的官方網站也提供了各種支持文檔，相關資源構成了一個強大的生態系統，使得學習和使用ROS非常方便。 本書中所有代碼以ROS Noetic Ninjemys和ROS Melodic Morenia版本進行調試。作者希望通過介紹ROS和實際機器人為平臺，展示機器人主要功能模塊涉及的相關理論和應用場景。 本書可作為機器人研究者和愛好者應用ROS構建機器人軟件系統的參考手冊，也可以做高年級本科生和研究生的參考書。
基于ROS的機器人理論與應用(第2版) 目錄
目錄
前言
第1章 ROS簡介 1
1.1 ROS的歷史 1
1.2 ROS安裝 4
1.2.1 ROS Melodic安裝 4
1.2.2 ROS Noetic安裝 5
第2章 ROS框架 8
2.1 ROS總體框架 8
2.1.1 文件系統級 8
2.1.2 計算圖級 9
2.1.3 社區級 11
2.2 ROS功能包 11
2.2.1 下載已有功能包并編譯運行 14
2.2.2 創建功能包并編譯運行 15
2.3 ROS基本命令 18
2.3.1 ROS文件系統命令 18
2.3.2 ROS核心命令 22
2.4 坐標變換工具TF 31
2.5 數據記錄和回放工具rosbag 34
第3章 可視化工具RViz與仿真工具Gazebo 38
3.1 RViz 38
3.1.1 RViz安裝 38
3.1.2 RViz使用 38
3.2 Gazebo 41
3.2.1 運行Gazebo 41
3.2.2 Gazebo的組成 43
3.2.3 URDF模型 45
3.2.4 Solidworks導出URDF模型 61
3.2.5 SDF模型 68
3.3 Gazebo示例：創建并使用Velodyne激光傳感器 69
3.3.1 創建Velodyne模型 69
3.3.2 添加Velodyne模型外觀信息 79
3.3.3 添加Velodyne模型控制插件 87
3.3.4 安裝Velodyne至機器人并測試 91
3.4 Gazebo示例：搭建移動機器人 92
3.4.1 搭建Robot模型 92
3.4.2 添加mesh效果 99
3.4.3 添加sensor傳感器 102
第4章 語音識別及語音合成 104
4.1 語音識別原理簡介 104
4.2 語音合成原理簡介 105
4.3 應用實例 106
4.3.1 CMU Sphinx英文語音識別 106
4.3.2 CMU Festival英文語音合成 116
4.3.3 家度機器人中文語音交互 120
第5章 視覺系統 132
5.1 OpenCV庫 132
5.1.1 OpenCV庫簡介 132
5.1.2 OpenCV庫與ROS的接口 133
5.2 Point Cloud點云及處理流程 136
5.3 PCL庫 139
5.3.1 PCL庫簡介 139
5.3.2 PCD文件 142
5.3.3 PCL庫與ROS的接口 144
5.4 體感相機在TurtleBot2上的應用 145
5.4.1 體感相機簡介 145
5.4.2 OpenCV人臉檢測 148
5.4.3 PCL點云濾波 154
第6章 導航定位 158
6.1 SLAM 158
6.1.1 SLAM問題的概率模型 158
6.1.2 EKF SLAM方法 161
6.1.3 Particle Filters SLAM方法 163
6.1.4 基于圖論的SLAM方法 165
6.1.5 地圖表示方法 167
6.1.6 基于TurtleBot3平臺的仿真SLAM實驗 171
6.1.7 基于TurtleBot2平臺的真實SLAM實驗 175
6.2 導航 182
6.2.1 簡介 182
6.2.2 已知地圖的導航實驗 183
第7章 運動規劃 188
7.1 背景與動機 188
7.2 MoveIt!介紹 188
7.2.1 MoveIt!結構 188
7.2.2 MoveIt!安裝 190
7.2.3 MoveIt!運動規劃 190
7.2.4 MoveIt!場景規劃 191
7.2.5 MoveIt!運動學求解器 191
7.2.6 MoveIt!碰撞檢測 191
7.3 創建MoveIt!功能包 191
7.3.1 使用安裝向導工具生成ROS Noetic Panda單臂MoveIt!配置文件包 192
7.3.2 使用安裝向導工具生成ROSIndigoPR2雙臂MoveIt!配置文件包 205
7.4 使用RViz插件測試MoveIt!功能包 214
7.4.1 MoveIt!的RViz插件 214
7.4.2 路徑規劃 216
7.5 使用命令行測試MoveIt!功能包 . 218
7.6 使用MoveIt!API接口實現路徑規劃 220
參考文獻 231
前言
第1章 ROS簡介 1
1.1 ROS的歷史 1
1.2 ROS安裝 4
1.2.1 ROS Melodic安裝 4
1.2.2 ROS Noetic安裝 5
第2章 ROS框架 8
2.1 ROS總體框架 8
2.1.1 文件系統級 8
2.1.2 計算圖級 9
2.1.3 社區級 11
2.2 ROS功能包 11
2.2.1 下載已有功能包并編譯運行 14
2.2.2 創建功能包并編譯運行 15
2.3 ROS基本命令 18
2.3.1 ROS文件系統命令 18
2.3.2 ROS核心命令 22
2.4 坐標變換工具TF 31
2.5 數據記錄和回放工具rosbag 34
第3章 可視化工具RViz與仿真工具Gazebo 38
3.1 RViz 38
3.1.1 RViz安裝 38
3.1.2 RViz使用 38
3.2 Gazebo 41
3.2.1 運行Gazebo 41
3.2.2 Gazebo的組成 43
3.2.3 URDF模型 45
3.2.4 Solidworks導出URDF模型 61
3.2.5 SDF模型 68
3.3 Gazebo示例：創建并使用Velodyne激光傳感器 69
3.3.1 創建Velodyne模型 69
3.3.2 添加Velodyne模型外觀信息 79
3.3.3 添加Velodyne模型控制插件 87
3.3.4 安裝Velodyne至機器人并測試 91
3.4 Gazebo示例：搭建移動機器人 92
3.4.1 搭建Robot模型 92
3.4.2 添加mesh效果 99
3.4.3 添加sensor傳感器 102
第4章 語音識別及語音合成 104
4.1 語音識別原理簡介 104
4.2 語音合成原理簡介 105
4.3 應用實例 106
4.3.1 CMU Sphinx英文語音識別 106
4.3.2 CMU Festival英文語音合成 116
4.3.3 家度機器人中文語音交互 120
第5章 視覺系統 132
5.1 OpenCV庫 132
5.1.1 OpenCV庫簡介 132
5.1.2 OpenCV庫與ROS的接口 133
5.2 Point Cloud點云及處理流程 136
5.3 PCL庫 139
5.3.1 PCL庫簡介 139
5.3.2 PCD文件 142
5.3.3 PCL庫與ROS的接口 144
5.4 體感相機在TurtleBot2上的應用 145
5.4.1 體感相機簡介 145
5.4.2 OpenCV人臉檢測 148
5.4.3 PCL點云濾波 154
第6章 導航定位 158
6.1 SLAM 158
6.1.1 SLAM問題的概率模型 158
6.1.2 EKF SLAM方法 161
6.1.3 Particle Filters SLAM方法 163
6.1.4 基于圖論的SLAM方法 165
6.1.5 地圖表示方法 167
6.1.6 基于TurtleBot3平臺的仿真SLAM實驗 171
6.1.7 基于TurtleBot2平臺的真實SLAM實驗 175
6.2 導航 182
6.2.1 簡介 182
6.2.2 已知地圖的導航實驗 183
第7章 運動規劃 188
7.1 背景與動機 188
7.2 MoveIt!介紹 188
7.2.1 MoveIt!結構 188
7.2.2 MoveIt!安裝 190
7.2.3 MoveIt!運動規劃 190
7.2.4 MoveIt!場景規劃 191
7.2.5 MoveIt!運動學求解器 191
7.2.6 MoveIt!碰撞檢測 191
7.3 創建MoveIt!功能包 191
7.3.1 使用安裝向導工具生成ROS Noetic Panda單臂MoveIt!配置文件包 192
7.3.2 使用安裝向導工具生成ROSIndigoPR2雙臂MoveIt!配置文件包 205
7.4 使用RViz插件測試MoveIt!功能包 214
7.4.1 MoveIt!的RViz插件 214
7.4.2 路徑規劃 216
7.5 使用命令行測試MoveIt!功能包 . 218
7.6 使用MoveIt!API接口實現路徑規劃 220
參考文獻 231
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基于ROS的機器人理論與應用(第2版) 節選
第1章ROS簡介 ROS（Robot Operating System）是一個適用于機器人的開源的元操作系統。ROS的主要設計目標是便于機器人研發過程中的代碼復用。它提供了操作系統[13–17]應有的服務，包括硬件抽象、底層設備控制、共用功能的執行、進程間消息傳遞，以及包管理。 它也提供用于獲取、編譯、編寫和跨計算機運行代碼所需的工具和庫函數。ROS的主要目標是為機器人研究和開發提供代碼復用的支持。ROS是一個分布式的進程框架，這些進程被封裝在易于被分享和發布的功能包（package）中。ROS支持一種類似于代碼儲存庫的聯合系統，這個系統也可以實現工程的協作及發布。這個設計可以使一個項目的開發和實現從文件系統到用戶接口完全獨立決策。同時，所有的項目都可以與ROS的庫和基礎工具整合在一起。 ROS相較于其他機器人操作系統的主要特點有以下幾條： （1）通道：ROS提供了一種發布–訂閱式的通信框架用以簡單、快速地構建分布式計算系統。 （2）仿真和數據可視化工具：ROS提供了大量的仿真和數據可視化工具組合用以配置、啟動、自檢、調試、可視化、登錄、測試、終止系統。 （3）強大的庫：ROS提供了大量的庫文件（如roscpp，rospy）實現了自主移動、操作物體、感知環境等功能。 （4）生態系統：ROS的支持與發展構成了一個強大的生態系統。官方網站提供了各種支持文檔，提供了一套“一站式”的方案使得用戶得以搜索并學習全球開發者共享的開源程序包。 1.1ROS的歷史 ROS系統*早源于2007年斯坦福大學人工智能實驗室的STAIR項目與機器人技術公司Willow Garage的個人機器人項目（Personal Robotics Program）之間的合作，2008年之后由Willow Garage 公司推動其發展。目前穩定版本情況如下： （1）ROS Noetic Ninjemys。2020年5月23日發布（其Logo見圖1.1）。 （2）ROS Melodic Morenia。2018年5月23日發布（其Logo見圖1.2）。 （3）ROS Lunar Loggerhead。2017年5月23日發布（其Logo見圖1.3）。 （4）ROS Kinetic Kame。2016年5月23日發布（其Logo見圖1.4）。 （5）ROS Jade Turtle。2015年5月23日發布（其Logo見圖1.5）。 （6）ROS Indigo Igloo。2014年7月22日發布（其Logo見圖1.6）。 （7）ROS Hydro Medusa。2013年9月4日發布（其Logo見圖1.7）。 （8）ROS Groovy Galapagos。2012年12月31日發布（其Logo見圖1.8）。 （9）ROS Fuerte Turtle。2012年4月23日發布（其Logo見圖1.9）。 （10）ROS Electric Emys。2011年8月30日發布（其Logo見圖1.10）。 （11）ROS Diamondback。2011年3月2日發布（其Logo見圖1.11）。 （12）ROS C Turtle。2010年8月2日發布（其Logo見圖1.12）。 （13）ROS Box Turtle。2010年3月2日發布（其Logo見圖1.13）。 1.2ROS安裝 ROS目前支持的操作系統有：Ubuntu、OSX、Arch、Federa、Gentoo、OpenSUSE、Slackware、Debian。另外，還可以在Windows和FreeBSD上安裝部分功能。由于ROS主要支持Ubuntu操作系統，因此，本書以Ubuntu操作系統下的安裝及使用為例，詳細描述ROS的安裝方法。 1.2.1ROSMelodic安裝 本小節以ROS Melodic Morenia在Ubuntu18.04LTS上面安裝為例，介紹ROS安裝過程。 1.配置Ubuntu系統 配置Ubuntu repositories為“restricted”，“universe”和“multiverse”。 2.配置sources.list 設置計算機使得可以從ROS.org接收軟件。 3.設置keys 4.安裝 重新定向ROS服務器： sudoapt-get update 下面提供四種版本的安裝命令： （1）桌面完全版安裝（推薦安裝）：ROS、rx、rviz、robot-generic庫、2D/3Dsimulators、navigation和2D/3Dperception。 Sudo apt-get install ros-melodic-desktop-full （2）桌面版安裝：ROS、rx、rviz和robot-generic庫。 sudoapt-get install ros-melodic-desktop （3）ROS-Base：ROS主要功能包、build和communication庫。不安裝GUI工具。 sudoapt-getinstallros-melodic-ros-comm （4）獨立的功能包集：用戶也可以安裝特定的ROS功能包集。 Sudo apt-get installros-melodic-STACK 例子： Sudo apt-get install ros-melodic-slam-gmapping 5.環境設置 環境變量設置是為了每次一個新的shell被調用的時候，ROS的環境變量自動被加入到用戶的bash session中。 如果安裝了不止一個版本的ROS，～/.bashrc必須是當前使用版本的唯一源setup.bash。 如果需要修改當前shell的環境，可以使用下面命令： source/opt/ros/melodic/setup.bash 1.2.2ROSNoetic安裝 本小節以ROS Noetic Ninjemys在Ubuntu20.04LTS上面的安裝為例，介紹ROS安裝過程。 1.配置Ubuntu系統 配置Ubuntu repositories為“restricted”“universe”和“multiverse”。 2.配置sources.list 設置計算機使得可以從ROS.org接收軟件。 3.設置keys Sudo apt install curl 4.安裝 重新定向ROS服務器： sudoapt-getupdate ROS提供四種版本的安裝命令： （1）桌面完全版安裝（推薦安裝）：ROS、rx、rviz、robot-generic庫、2D/3Dsimulators、navigation和2D/3Dperception。 sudoapt-get install ros-noetic-desktop-full （2）桌面版安裝：ROS、rx、rviz和robot-generic庫。 Sudo apt-get install ros-noetic-desktop （3）ROS-Base：ROS主要功能包、build和communication庫。不安裝GUI工具。 sudoapt-getinstallros-noetic-ros-base （4）獨立的功能包集：用戶也可以安裝特定的ROS功能包集。 Sudo apt-get install ros-noetic-PACKAGE 例如：
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